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第33卷第2期 湖 南 城 市 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 自然科學(xué)版 Vol 33 No 2 2024年3月 Journal of Hunan City University Natural Science Mar 2024 收稿日期 2023 06 13 基金項(xiàng)目 湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2022SK2084 第一作者簡介 趙福云 1977 男 湖南茶陵人 教授 博士生導(dǎo)師 主要從事建筑通風(fēng) 流動傳熱以及計(jì)算流體力學(xué)研究 E mail zfycfdnet 不同進(jìn)氣方式下植物工廠作物冠層CO2與 熱濕環(huán)境分布模擬分析 趙福云 譚志成 姚奕合 陳 皓 湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 湖南 株洲 412007 摘要 為探究在不同進(jìn)氣方式下植物工廠作物冠層環(huán)境的變化情況 對室內(nèi)人工光型植物工廠內(nèi)部溫度 相對濕度 relative humidity RH 以及CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行了數(shù)值研究 并考慮了作物存在及H2O蒸發(fā) CO2 吸收的影響 討論了4種不同進(jìn) 出風(fēng)口位置及5種入口流速對植物工廠作物冠層的影響 并對作物冠層溫度 變動系數(shù)RSDT RH變動系數(shù)RSDRH及CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變動系數(shù)RSDC進(jìn)行了分析 結(jié)果表明 不同進(jìn)出口布置與 不同入口流速v對冠層溫度 相對濕度RH以及CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布有較大影響 當(dāng)進(jìn)出口布置為下進(jìn)上出同側(cè) C4 時 即使在低流速下室內(nèi)也有良好的溫度分布 當(dāng)v 1 5 m s時 C4方案各冠層RH值均處于50 70 這一適 宜區(qū)間 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值也高于其他方案 隨著v增大 RSDT RSDRH及RSDC均降低明顯 作物冠層溫度 RH及CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均勻性表現(xiàn)良好 關(guān)鍵詞 植物工廠 數(shù)值模擬 通風(fēng) 中圖分類號 TU262 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A doi 10 3969 j issn 1672 7304 2024 02 0007 文章編號 1672 7304 2024 02 0040 08 Simulation analysis of crop canopy CO2 and heat and humidity distribution in plant factorywith different air intake modes ZHAO Fuyun TAN Zhicheng YAO Yihe CHEN Hao School of Civil Engineering Hunan University of Technology Zhuzhou Hunan 412007 China Abstract In order to explore the changes of crop canopy environment in plant factories under different air intake modes the temperature relative humidity RH and CO2 mass fraction distribution in indoor artificial light plant factories were numerically studied and the effects of crop existence H2O evaporation and CO2 uptake were considered The effects of four different inlet and outlet positions and five inlet flow rates were discussed and the crop canopy temperature variation coefficient RSDT RH variation coefficient RSDRH and CO2 mass fraction variation coefficient RSDC were analyzed The results showed that different inlet and outlet arrangements and different inlet velocity v had great influence on canopy temperature relative humidity RH and CO2 mass fraction distribution When v 1 5 m s the canopy RH values were in the suitable range of 50 70 and the mean CO2 mass fraction was higher in the C4 scheme Bottom in top out same side solution than in the other schemes at the same time the RSDT RSDRH and RSDC all decreased significantly as v increased At the same time RSDT RSDRH and RSDC decreased significantly with increasing v The crop canopy temperature RH and CO2 mass fraction uniformity were satisfactory Key words plant factory numerical simulation ventilation 當(dāng)前 世界人口正處于一個加速增長階段 聯(lián)合國報(bào)告 1 顯示 到2030年 世界人口預(yù)計(jì)達(dá) 到85億 2050年世界人口甚至將突破97億 快 速增長的人口對可靠的糧食供應(yīng)帶來了巨大挑戰(zhàn) 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式極易受到外界環(huán)境變化的影響 其中惡劣天氣 生物多樣性威脅等都將對農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)造成不利影響 2 4 植物工廠由于其環(huán)境高精度 可控 即可對作物生長過程中的光照 溫度 濕 度 CO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)等進(jìn)行精準(zhǔn)控制 幾乎不受外 界自然環(huán)境影響與制約的生產(chǎn)方式 可實(shí)現(xiàn)作物 連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而被世界各國視為新興高技術(shù)農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)與未來農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向 5 趙福云 等 不同進(jìn)氣方式下植物工廠作物冠層CO2與熱濕環(huán)境分布模擬分析 第33卷 41 作物的生長離不開適宜的環(huán)境 不合理的通 風(fēng)設(shè)計(jì)可能使作物表面氣流均勻性惡化 6 7 導(dǎo)致作 物生長質(zhì)量不理想 8 9 從而發(fā)生尖端燒傷 10 而隨 著室內(nèi)種植工廠技術(shù)的快速發(fā)展 眾多學(xué)者對室 內(nèi)種植工廠通風(fēng)進(jìn)行了研究 如 張晨 11 王靜 等 12 考慮了 LED 燈熱效應(yīng)對植物工廠內(nèi)部流場 及溫度場的影響 Fang等 13 設(shè)計(jì)了3種不同的帶 有通風(fēng)孔的通風(fēng)管道 分析了在不同孔徑和直徑 的通風(fēng)管道下作物冠層上方氣流的流動結(jié)構(gòu) 并 考慮了作物及LED燈的影響 Plas等 14 在垂直農(nóng) 業(yè)環(huán)境中使用了真實(shí)的植物幾何結(jié)構(gòu)來模擬作物 對氣流的阻礙效應(yīng) Niam 等 15 對一小型垂直植 物種植工廠進(jìn)行了數(shù)值模擬研究 分析了不同位 置送風(fēng)對植物工廠內(nèi)流場的影響并確定了最佳中 央空調(diào)送風(fēng)位置 然而 相較于溫室成熟的通風(fēng)技術(shù) 16 而言 目前對于提高植物工廠栽培盤作物冠層環(huán)境均勻 性從而提高作物產(chǎn)量與質(zhì)量 降低作物發(fā)生尖端 燒傷的研究仍然較少 因此 為提高室內(nèi)垂直種 植系統(tǒng)作物冠層環(huán)境的均勻性 利用CFD技術(shù)考 慮作物存在和LED燈熱效應(yīng) 對不同送風(fēng)位置 不同送風(fēng)風(fēng)速下垂直種植植物工廠作物的冠層溫 度 相對濕度以及CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均勻性進(jìn)行分析 以期為植物工廠的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供理論參考 1 物理模型與數(shù)值模型 1 1 物理模型 該室內(nèi)垂直種植工廠尺寸為長 寬 高 4 4 m 2 2 m 2 7 m 共有2個栽培架 每個栽 培架包含4個栽培盤 栽培盤1 2 3 4 栽培 架間隔0 6 m 每個栽培盤之間距離為0 36 m 栽 培盤上方10 cm的空間為作物所覆蓋區(qū)域 模型中 作物品種為生菜 進(jìn) 出風(fēng)口尺寸為長 寬 1 0 m 0 3 m 假設(shè)該植物工廠對稱 選取其1 2 模型進(jìn)行研究計(jì)算 如圖1 a 所示 a 模型示意 b 模型截面示意 圖1 植物工廠模型及其模型截面示意 由于種植工廠中作物上方一般會布置 LED 燈給作物提供長時間光照 因此 模擬計(jì)算中將 LED燈散熱對室內(nèi)環(huán)境的影響通過圖1 b 中栽培 盤底部恒定熱流面來實(shí)現(xiàn) 1 2 數(shù)值模型 模擬計(jì)算中假設(shè)流體不可壓縮 入口流體為 入口氣流 由空氣 水蒸氣及CO2的混合氣體組 成 其各組分?jǐn)U散與運(yùn)輸由組分運(yùn)輸方程描述 利用Realizable k 湍流模型對混合空氣湍流流動 進(jìn)行計(jì)算 采用有限體積法對模型中所有的控制 方程進(jìn)行離散 并對壓力 速度耦合方程使用 SIMPLE 算法進(jìn)行迭代求解 連續(xù)性方程 動量 方程 能量方程 k 湍動能方程 和 耗散率 方程 的通用形式 17 為 div div grad v S t 1 其中 為通用變量 為流體密度 單位為kg m3 v 為速度矢量 單位為 m s 為廣義的擴(kuò)散系 數(shù) S 為源項(xiàng) 當(dāng) 1時 方程為連續(xù)性方程 v u v w 時 方程為動量守恒方程 其中u v w為v 在3個方向的速度矢量 單位為m s T時 方程為能量守恒方程 此外 利用Boussinesq假設(shè)來近似計(jì)算由空 氣溫度變化引起的浮力效應(yīng) 方程為 1 c cT T 2 其中 cT 為參考溫度 單位為K c 為參考溫度 下相對應(yīng)的流體密度 單位為 kg m3 為膨脹 系數(shù) 在本研究中 作物冠層氣流流速 溫度 相 對濕度及CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均勻性為主要關(guān)注內(nèi)容 冠層溫度 相對濕度及CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均勻性由 相對標(biāo)準(zhǔn)偏差 relative standard deviation RSD 變 動系數(shù) 進(jìn)行分析討論 數(shù)學(xué)表達(dá)式為 2 1 1100 100 N kk T T T T S NRSD T T 3 2 1 1100 100 N kk RH RH RH RH S NRSD RH RH 4 2 1 1100 100 N kk C C C C S NRSD C C 5 其中 TRSD CRSD RHRSD 分別為系統(tǒng)作物冠 層溫度與CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變動系數(shù) T RH C 分別為系統(tǒng)作物冠層平均溫度 平均相對濕度以 及平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù) kT kRH kC 分別為第k 個栽培盤作物冠層平均溫度 平均相對濕度及平 湖 南 城 市 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 自然科學(xué)版 2024年第2期 42 均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為討論不同通風(fēng)位置變化以及入口流速變化 下作物冠層區(qū)域氣流流速 溫度 相對濕度及CO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均勻性變化情況 設(shè)置了4種不同氣 流進(jìn)出口位置及5種不同入口流速情況進(jìn)行研究 4 種通風(fēng)進(jìn)出口位置變化分別為上進(jìn)下出異側(cè) 上進(jìn)下出同側(cè) 下進(jìn)上出異側(cè)與下進(jìn)上出同側(cè) 各通風(fēng)進(jìn)出口位置設(shè)計(jì)如圖 2 所示 5 種入口流 速變化分別為1 1 5 2 2 5和3 m s 見表1 C1 上進(jìn)下出異側(cè) C2 上進(jìn)下出同側(cè) C3 下進(jìn)上出異側(cè) C4 下進(jìn)上出同側(cè) 圖2 不同通風(fēng)位置變化 表1 不同數(shù)值工況方案 方案 通風(fēng)位置 入口溫度 K 入口流速v m s 1 入口CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù) 入口相對濕度 LED恒定熱流 W m 2 C1 上進(jìn)下出異側(cè) 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 C2 上進(jìn)下出同側(cè) 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 C3 下進(jìn)上出異側(cè) 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 C4 下進(jìn)上出同側(cè) 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 作物對冠層氣流的阻礙作用不可忽略 模型 中選用生菜這一作物來計(jì)算其對氣流的阻礙 并 將生菜覆蓋區(qū)域假設(shè)為均勻多孔介質(zhì)區(qū)域 其對 氣流的阻礙拖拽效應(yīng)由公式 6 18 計(jì)算 2 AD DS L C u 6 其中 ADL 47 3 m2 m3 為葉面積密度 DC 為作 物阻力系數(shù) DC 0 02 19 模型中還考慮了生菜光合作用中產(chǎn)生的 CO2 對作物冠層區(qū)域CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 見圖1 b 作物CO2消耗速率及H2O產(chǎn)生速率參考Naranjani 等 20 的研究設(shè)定 各材料屬性及 CO2消耗速率 H2O蒸騰速率見表2 表2 混合氣體物理特性 CO2消耗速率及H2O產(chǎn)生速率 材料 條件 混合氣體密度 Incompressible ideal gas 混合氣體比熱 Mixing law 混合氣體粘度 1 720 10 5 kg m 3 s 1 CO2消耗速率 3 160 10 5 kg m 3 s 1 H2O蒸騰速率 2 489 10 4 kg m 3 s 1 1 3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證 為了保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性 同時合理利用 計(jì)算機(jī)資源 節(jié)約計(jì)算時間 分別采用4種不同 數(shù)量級的網(wǎng)格 即 粗網(wǎng)格 339 885 基礎(chǔ)網(wǎng)格 549 300 中等網(wǎng)格 862 888 和精細(xì)網(wǎng)格 1 754 292 在方案C1 v 2 m s 條件下對進(jìn)出口 壓力差 P 與進(jìn)出口溫度差 T 進(jìn)行模擬對比分析 結(jié)果見圖 3 由圖 3 可知 中等數(shù)量網(wǎng)格與精細(xì) 網(wǎng)格的模擬結(jié)果十分接近 這表明中等數(shù)量的網(wǎng) 格已經(jīng)能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出數(shù)值仿真案例的主 要變化特征 因此 在后續(xù)計(jì)算中選用中等數(shù)量 網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算 圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下模擬結(jié)果對比 1 4 數(shù)值模型可行性驗(yàn)證 為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性與可行性 模擬 了一通風(fēng)腔內(nèi)的混合對流傳熱并與 Blay 等 21 所 做試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證 通風(fēng)腔具體尺寸及邊 界條件可在Kosutova等 22 的研究中得知 該試驗(yàn) 已被用于室內(nèi)傳熱流動的數(shù)值模型驗(yàn)證 22 23 驗(yàn) 證結(jié)果如圖4所示 圖4 數(shù)值模型結(jié)果驗(yàn)證 趙福云 等 不同進(jìn)氣方式下植物工廠作物冠層CO2與熱濕環(huán)境分布模擬分析 第33卷 43 由圖4可知 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值具有良 好的一致性 吻合度較好 因此 本模型所使用 的數(shù)值方法具有一定的準(zhǔn)確性與可靠性 2 結(jié)果與討論 2 1 溫度分析 溫度對作物生長極為重要 它將直接影響到 環(huán)境中相對濕度 RH 大小以及作物的各項(xiàng)生理活 動 24 周圍環(huán)境溫度過高時 會使得作物蒸騰作 用加劇 導(dǎo)致作物吸收水分的速率與水分蒸發(fā)速 率失衡 造成作物失水而萎蔫甚至枯死 因此將 環(huán)境溫度控制在較低范圍內(nèi)有利于保證系統(tǒng)產(chǎn)量 圖5為x 0 55 m處入口在流速變化下各方案內(nèi)部 溫度分布 由圖5可知 在設(shè)計(jì)方案為C1和C2 時 由于進(jìn) 出風(fēng)口上下布置 當(dāng)室外冷空氣進(jìn) 入室內(nèi)時會下沉到室內(nèi)下方 而室內(nèi)熱空氣則在 浮力作用下在栽培室上方聚集難以排出 當(dāng)入口 流速進(jìn)一步增大時 入口風(fēng)壓足以克服室內(nèi)熱壓 從而有效驅(qū)動內(nèi)部熱空氣排出 并有效降低室內(nèi) 與冠層的溫度 當(dāng)設(shè)計(jì)為進(jìn)風(fēng)口底部布置的方案 C3和C4時 受熱浮升力影響 室內(nèi)熱空氣可較 為容易地從頂部出風(fēng)口排出 這使得在低入口流 速下室內(nèi)栽培盤區(qū)域有較低的溫度分布 各栽培盤作物冠層溫度變化為主要關(guān)注內(nèi)容 圖6為各設(shè)計(jì)方案下栽培盤作物冠層平均溫度變 化情況 圖5 x 0 55 m處各方案溫度分布 a C1 b C2 c C3 d C4 圖6 入口流速變化下各栽培盤作物冠層平均溫度 湖 南 城 市 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 自然科學(xué)版 2024年第2期 44 由圖 6 可知 1 由于冷空氣下沉 栽培盤 1 作物的冠層平均氣流溫度普遍低于上方栽培盤作 物冠層氣流溫度 2 在進(jìn)風(fēng)口位于頂部的設(shè)計(jì) 方 案C1和C2 中 隨著入口流速增大 各栽培盤作 物冠層氣流溫度普遍降低 3 在進(jìn)風(fēng)口位于底部 的設(shè)計(jì) C3和C4 中 由于熱浮升力影響 在低入 口流速下栽培盤作物冠層氣流溫度也低于 C1 和 C2 隨著入口流速增大 C3 作物冠層平均溫度略 有上升 而 C4 作物冠層平均溫度變化不大 當(dāng) 送風(fēng)位置頂部布置時 C1和C2有著相似的溫度 分布 在空氣進(jìn)入室內(nèi)時 由于入口氣流溫度低 于室內(nèi)空氣溫度 冷氣流會下沉到室內(nèi)下方區(qū)域 而熱空氣則上浮在上方 這使得在低入口流速下 C1和C2栽培盤1的作物冠層氣流溫度普遍低于 上部栽培盤 當(dāng)流速進(jìn)一步增大 入口冷氣流可 克服室內(nèi)熱壓將內(nèi)部熱空氣排出 使作物冠層溫 度顯著降低 當(dāng)送風(fēng)位置為底部時 受入口冷空 氣下沉 熱空氣上升影響 室內(nèi)出現(xiàn)明顯熱分層 現(xiàn)象 即上部溫度高下部溫度低 致使下方作物 冠層氣流溫度普遍低于上部 隨著入口流速增大 對于C3 由于進(jìn)出口異側(cè)布置 熱量在室內(nèi)左上 側(cè)聚集 致使該區(qū)域溫度較高 C4為進(jìn)出口同側(cè) 布置 這使室內(nèi)氣流形成回流擾動 有利于熱空 氣排出 因此 作物冠層氣流平均溫度隨入口氣流 速度增大而無明顯變化 圖7為C1 C2 C3和C4隨入口流速變化 系統(tǒng)作物冠層總體溫度變動系數(shù)RSDT的變化情 a C1和C2 b C3和C4 圖7 在入口流速改變下冠層平均溫度RSDT變化 況 由圖7可知 1 C1和C2的RSDT隨入口流速 變化總體呈下降趨勢 當(dāng)入口流速v 2 0 m s時 C2的RSDT略有增加 而后再降低 這一變化也 可從圖5和圖6 b 中得知 2 C3的 RSDT值呈先 降后增再降趨勢 當(dāng)v 1 5 m s時 RSDT值降低 到0 91 當(dāng)1 5 m s v 2 5 m s時 RSDT先增 加到1 35 隨后降低至0 4 左右 這一變化主 要是由栽培室內(nèi)熱分層以及入口上方熱空氣堆積 引起的 3 C4 的 RSDT值隨入口流速增加也呈下 降趨勢 且在各入口流速下的 RSDT 值均小于其 他方案 這主要?dú)w功于底部入口以及進(jìn)出口同側(cè) 設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)有利于內(nèi)部熱量及時排出 2 2 相對濕度分析 相對濕度 RH 是指空氣中實(shí)際水汽壓與相同 溫度下飽和水汽壓之比 其對作物的生長發(fā)育有 重要影響 相關(guān)研究 25 表明 生菜類和綠葉蔬菜 類作物的理想RH值應(yīng)為50 70 高RH易使 作物被病菌感染引發(fā)作物疾病 低 RH 則環(huán)境相 對干燥易使作物葉片外邊緣產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象 24 25 因此 為了提高室內(nèi)的基礎(chǔ)相對濕度水平 在入口氣流 中將空氣RH設(shè)置為87 圖 8 為 4 種方案各栽培盤作物冠層平均 RH 和室內(nèi)總冠層 RH 隨入口流速變化情況 由圖 8 可知 當(dāng)進(jìn)風(fēng)口為頂部設(shè)計(jì)時 C1 C2 各栽培 盤作物冠層 RH 值及系統(tǒng)平均 RH 值均呈上升趨 勢 當(dāng)進(jìn)風(fēng)口為底部設(shè)計(jì)時 即使在低入口流速 下各栽培盤作物冠層 RH 值也普遍高于入口頂部 設(shè)計(jì)時的 C3冠層總體平均RH值隨著入口流速 增大呈下降趨勢 而C4冠層總體平均RH值無明 顯降低且在各入口流速下 作物冠層 RH 值基本 處于適宜范圍內(nèi) 圖8中還可觀察出一明顯現(xiàn)象 即 在各方案下 下層栽培盤冠層 RH 普遍高于 上層栽培盤冠層 RH 值 這主要是由于入口冷空 氣下沉 內(nèi)部熱空氣上浮 值得注意的是 當(dāng)入 口流速v 1 5 m s時 C3 C4栽培盤3作物冠層 RH顯著高于栽培盤1 2 甚至C4栽培盤4冠層 RH 值也高于栽培盤 1 2 這是由于在當(dāng)前入口 流速下 低溫空氣在撞擊側(cè)面及螺旋混合后流動 到上方栽培盤區(qū)域 使得該區(qū)域溫度低于下方栽 培盤 圖9為各方案系統(tǒng)作物冠層總體RH變動系 數(shù) RSDRH隨入口流速變化情況 RH 值主要受溫 度變化影響 因此 RSDRH變化情況與RSDT變化 十分相似 C1 C2和C4的RSDRH隨入口流速v 趙福云 等 不同進(jìn)氣方式下植物工廠作物冠層CO2與熱濕環(huán)境分布模擬分析 第33卷 45 增大總體呈下降趨勢 但當(dāng)v 2 0 m s時 C2的 RSDRH高于v 1 5 m s時的RSDRH 這是由于各栽 培盤溫度差異較大引起 C3則呈先降后升再降低 趨勢 這與RSDT變化原因一致 a C1 b C2 c C3 d C4 圖8 入口流速變化下各栽培盤冠層平均相對濕度 2 3 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析 CO2 是光合作用原料與呼吸作用的產(chǎn)物 適 當(dāng)提高 CO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)有助于抑制作物呼吸作用 增強(qiáng)光合作用 進(jìn)而有效提高作物產(chǎn)量 26 a C1和C2 b C3和C4 圖9 入口流速改變下作物冠層平均相對濕度RSDRH變化 各栽培區(qū)作物冠層的平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù) 系 統(tǒng)冠層的整體CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其均勻度也是重點(diǎn) 關(guān)注內(nèi)容 圖 10 為栽培盤作物冠層的平均 CO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨入口流速變化情況 由圖10中可知 栽培盤作物冠層的 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的一般趨勢 1 受入口冷空氣下沉及CO2本身性質(zhì)影響 栽培盤 1 作物冠層的平均 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大都高于其他栽 培盤的 2 隨著入口流速增大 CO2供應(yīng)量增加 各栽培盤作物冠層的平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍呈上 升趨勢 其中 C1 和 C2 上升趨勢較明顯 C3 和 C4 變化則不明顯 3 對于 C1 和 C2 當(dāng)入口 流速v 1 0 m s時 栽培盤1作物冠層的CO2質(zhì) 量分?jǐn)?shù)值與其他栽培盤的差別較大 C2各栽培盤 作物冠層的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)值差異明顯 隨著入口 流速進(jìn)一步增大 作物冠層的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)差距 逐步降低 這是由于入口流速增大 室內(nèi)氣流結(jié) 構(gòu)變得復(fù)雜 加上浮力對內(nèi)部氣流的擾動增強(qiáng) 這些均有利于 CO2的擴(kuò)散與遷移 4 對于 C3 和 C4 由于進(jìn)口底部 出口頂部的設(shè)計(jì) 在內(nèi)部空 氣浮升力協(xié)助下 即使在低進(jìn)口流速下 入口新 鮮空氣也可以快速在整個室內(nèi)流動擴(kuò)散 使得各 栽培盤作物冠層的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)值處于較高水平 并且隨著入口流速增加 其冠層的總體CO2質(zhì)量 分?jǐn)?shù)變化不大 湖 南 城 市 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 自然科學(xué)版 2024年第2期 46 a C1 b C2 c C3 d C4 圖10 入口流速變化下各栽培盤作物冠層 平均CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù) 圖 11 為各方案作物冠層 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變動 系數(shù)RSDC隨入口流速的變化情況 由圖11可知 隨著入口流速增大 C1和C2的RSDC總體呈下 降趨勢 但當(dāng)v 2 5 m s時 RSDC略有增大 C4 則隨入口流速變化呈穩(wěn)定降低趨勢 且當(dāng) v 1 0 m s 時 RSDC小于C1和C2 C4與C3同為底部入 口 頂部出口設(shè)計(jì) 但由于相對位置不同 當(dāng) 1 5 m s v 2 5 m s時 C3的系統(tǒng)冠層RSDC呈上 升趨勢 這一變化主要是由于進(jìn)口與出口的相對 布置導(dǎo)致 C3 左上方區(qū)域與右下方區(qū)域 CO2質(zhì)量 分?jǐn)?shù)出現(xiàn)較大差異 這也與溫度變化相似 a C1和C2 b C3和C4 圖11 入口流速下冠層CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變動系數(shù)RSDC變化 3 結(jié)論 1 受入口冷空氣下沉和室內(nèi)空氣熱浮升力影 響 底部栽培盤區(qū)域溫度普遍低于上部栽培盤 而RH及CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)則普遍高于上部栽培盤 在低入口流速下 C1和C2作物冠層溫度普遍高 于C3和C4 隨著v增加 C1和C2作物冠層溫 度逐漸降低 C3作物冠層總體平均溫度出現(xiàn)小幅 度上升 C4作物冠層平均溫度基本穩(wěn)定在299 K 左右 可見 C4方案有較好的溫度分布 2 在系統(tǒng)中 RH 主要受溫度影響 各方案作 物冠層的 RH 變化與作物冠層溫度的變化相似 當(dāng)v 1 5 m s時 C4栽培盤作物冠層RH值普遍 為 50 70 由于入口 CO2供應(yīng)量增大 隨著 入口流速增大 各作物冠層CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本呈 上升趨勢 且C4的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值最高 3 隨著入口流速增加 C1 C2和C4方案作 物冠層RSDT RSDRH和RSDC總體呈下降趨勢 且基本在v 3 0 m s時達(dá)到最低值 增大入口流速 有助于改善冠層溫度 RH 和 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均 趙福云 等 不同進(jìn)氣方式下植物工廠作物冠層CO2與熱濕環(huán)境分布模擬分析 第33卷 47 勻性 但 C3 的 RSDT RSDRH和 RSDC則呈先降 后升再降趨勢 參考文獻(xiàn) 1 AVGOUSTAKI D D XYDIS G Plant factories in the water food energy Nexus era A systematic bibliographical review J Food Security 2020 12 2 253 268 2 PIAO S CIAIS P HUANG Y et al The impacts of climate change on water resources and agriculture in China J Nature 2010 467 7311 43 51 3 DIRZO R RAVEN P H Global state of biodiversity and loss J Annual review of Environment and Resources 2003 28 1 137 167 4 GODFRAY H C J BEDDINGTON J R CRUTE I R et al Food security the challenge of feeding 9 billion people J science 2010 327 5967 812 818 5 楊其長 植物工廠現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2016 36 10 9 12 6 KATZIN D MOURIK S V KEMPKES F et al Greenlight an open source model for greenhouses with supplemental lighting evaluation of heat requirements under LED and HPS lamps J Biosystems Engineering 2020 194 61 81 7 PARK J H LEE J S KIM D E et al Analysis of optimum water cooling conditions and heat exchange of LED lamps for plant growth J Journal of 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